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참여연구원 단체 사진, 왼쪽부터 고종관 박사과정생, 김은경 교수, 김종학 교수, 김병관 박사과정생, 김정훈 박사
[산업일보]
나노패턴기술을 이용해 더 많은 햇빛을 흡수해 전기로 바꾸는 태양전지가 국내 연구진에 의해 개발됨에 따라, 향후 차세대 태양전지의 광전변환 효율을 높일 수 있는 가능성을 열었다.
연세대 김은경, 김종학 교수가 주도하고, 김정훈 박사 및 고종관, 김병관 박사과정생이 참여한 이번 연구는 교육과학기술부(장관 이주호)와 한국연구재단(이사장 이승종)이 추진하는 선도연구센터(ERC)사업의 지원으로 수행됐고, 응용화학 분야의 권위 있는 학술지인 ‘앙게반테 케미(Angewandte Chemie International Ed., IF=13.455)’지 최신호(7월 9일자, 온라인판)에 속표지논문으로 게재되고 ‘Hot Paper’로 선정됐다.
(논문명 : Nanopatterning of Mesoporous Inorganic Oxide Films for Efficient Light Harvesting of Dye-Sensitized Solar Cells)
차세대 에너지 생산기술 중 무한한 태양 빛을 이용한 태양전지는 소재, 사용목적 및 효율에 따라 많은 기술로 세분화되는데, 이를 저렴하게 상용화하고자 하는 노력이 전 세계적으로 활발히 진행되고 있다.
그 중 식물의 광합성 원리를 이용한 염료감응형 태양전지는 기존에 상용화된 실리콘, 고분자 전지에 비해 만들기 쉽고, 경제적이며, 투명하게도 만들 수 있어 건물의 유리창 등에 직접 활용할 수 있는 차세대 고효율 전지로 각광 받고 있다.
(a) 제조된 태양전지 구조. (b-c) 중성 페이스트로 만든 TiO2 광전극의 염료흡착실험. (d-e) 산성 페이스트로 만든 TiO2 광전극의 염료흡착. (f-h) 광전극의 나노구멍에 전도성 고분자 투입. (i) 대면적 전극 위에 나노패턴 생성 후 바로 찍은 사진. (j) 고온에서 열처리 한 후 만든 광전극. (k-l) 염료가 흡착된 빛 반사특성을 가지는 대면적 광전극.
염료감응형 태양전지는 요오드를 포함하는 액체전해질을 주로 사용하는데, 액체전해질은 고온에서 팽창해 새거나 안정성이 낮아 전극을 부식시키는 등 심각한 문제를 유발해, 고체전해질로 대체하기 위한 연구가 활발히 진행됐다.
김은경, 김종학 교수 연구팀은 미세한 구멍(수 나노미터크기)을 메울 수 있는 전도성 고분자와 나노패터닝 기술을 이용해 안정하면서도 효율이 높은 전도성 고분자 기반의 염료감응형 태양전지를 개발했다.
특히 이번 성과는 염료감응형 태양전지에 처음으로 나노패턴을 도입해 빛 수확기술을 활용했다는 점이 큰 특징이다.
나노패턴이 형성된 광전극이 들어오는 빛을 흡수해 전기로 변환시키고, 흡수되지 못하고 투과되는 빛을 반사시켜 다시 전기에너지로 바꾸는 그림 (왼쪽아래). 20 나노미터 크기의 티타늄 산화물을 300 나노미터 크기의 패턴으로 만든 주사전자현미경 사진 (돋보기 안). 결함 없이 대면적 패턴이 가능함을 보여주는 주사전자현미경 사진 (둥근 바탕화면). 전도도가 높은 전도성 고분자를 의미하는 그림 (화학구조)
빛 수확기술은 실리콘 태양전지와 고분자 태양전지에서 이미 개발되어 효과가 입증됐지만, 염료감응형 태양전지에서는 나노입자를 광전극으로 사용하고 이를 패터닝해야 하기 때문에 도입에 어려움이 있었다.
연구팀은 이번 연구에 앞서 지난해 처음으로 열에 의해 중합되는 전도성 고분자 단량체를 나노크기의 구멍에 넣은 후, 그 속에서 직접 전도성 고분자를 키워 그것을 전해질로 이용해 효율이 높은 전도성 고분자기반의 염료감응형 태양전지를 개발했다.
전도성 고분자와 고분자 전해질은 전도도가 높고, 기존의 염료감응형 태양전지의 단점(액체전해질)을 극복할 수 있는 장점이 있지만, 대부분의고분자는 크기가 크기 때문에 햇빛이 태양전지의 무기나노입자 사이의 구멍으로 침투할 수 없어 효율이 높은 태양전지 개발에 어려움이 있었다.
특히 연구팀은 무기나노입자를 직접 매우 작게(나노크기) 패터닝해 광전극을 만들어, 흡수되지 못하고 투과되는 빛까지도 반사시켜 빛을 수확해 광전변환효율을 극대화했다.
연구팀의 기술은 기존의 태양전지를 만드는 과정에서 1~2단계의 간단한 추가공정으로 나노패턴을 제작할 수 있기 때문에, 고가의 장비(패턴장비와 노광장비)가 필요한 공정에 비해 매우 간단하다. 또한 스탬프의 크기와 개수를 조절해 원하는 면적만큼 넓게 만들 수 있기 때문에 대면적화가 가능하고, 패턴스탬프를 여러 번 재사용해도 전혀 문제없어 경제적이며, 대량생산도 가능하다.
아울러 마이크로미터(백만분의 1미터)에서부터 수백 나노미터(10억분의 1미터)까지 다양한 크기의 패턴과 다양한 모양의 패터닝이 가능하다.
이 기술은 빛 수확능력이 탁월한 광전극을 이용해 다양한 태양전지와 소자에도 활용할 수 있다.
연구팀이 개발한 빛 수확용 광전극은 기존의 전도성 고분자 기반의 염료감응형 태양전지의 전류생산량을 40% 증대시키는 효과를 나타냈다.
또한 기존에 발표된 전도성 고분자 기반의 태양전지는 2~3%의 낮은 효율을 보이는 반면에, 이 기술을 적용하고 전도성 고분자 고체 전해질을 이용하면, 7.03%의 높은 광전효율을 나타냈다.
김은경 교수는 “이번 연구는 나노패터닝이 광학적 특성을 변화시켜 빛의 반사를 통해 새어나가는 빛까지도 흡수해 상당히 많은 양의 빛을 수확할 수 있다는 사실을 밝혀냈다. 또한 무기나노입자를 직접 패터닝해 처음으로 효과적인 빛 수확용 전도성 고분자 기반 광전극을 개발했다는데 큰 의미가 있다”고 연구의의를 밝혔다.
김종학 교수는 “이번에 개발된 요오드 없는 태양전지에 나노패터닝 기술을 이용해 미래에너지인 태양전지뿐만 아니라 다양한 전자소자에도 활용할 수 있어 아직 해결되지 않은 기술들을 해결할 수 있는 기반을 마련했다”고 덧붙였다.
